Advanced Technology Machine Solutions

Metalowe i ceramiczne tuby CO₂ są obecnie bardzo powszechne na rynku ploterów laserowych. Są to tuby znacznie lepsze pod względem konstrukcji wykonania od klasycznych szklanych tub CO₂, co przekłada się na dłuższą żywotność i niezawodność. Metalowe i ceramiczne tuby CO₂ (RF - Radio Frequency) działają z bardzo dużą częstotliwością sięgającą do 100kHz, dzięki czemu są również o wiele dokładniejsze od tub szklanych CO₂, co ma duże znaczenie przy precyzyjnym cięciu i grawerowaniu materiałów z dużymi prędkościami. Rozmiar uzyskanej z nich plamki po zogniskowaniu wiązki osiąga wielkość około nawet 0,05 mm.

 

 

W metalowych i ceramicznych tubach CO₂ wiązka laserowa powstaje na skutek wzbudzania cząsteczek gazów znajdujących się w jej wnętrzu. W skład mieszaniny gazów wchodzą przede wszystkim dwutlenek węgla, hel, azot, wodór. Dwutlenek węgla stanowi około 5% mieszaniny. To właśnie on tworzy rzeczywistą wiązką laserową. Pobudzane impulsem RF atomy azotu, przekazują energię cząsteczkom dwutlenku węgla, co powoduje w nich emisję fotonów. Zdecydowaną większość mieszaniny stanowią cząsteczki helu (około 90% mieszaniny). Zadaniem helu jest utrzymania niskiej temperatury wewnątrz tuby. Gaz ten jest najtrudniejszy do utrzymania, ponieważ jego cząsteczki mogą przenikać przez ściany szczelnie zamkniętej tuby.

W związku z powyższym stopień uszczelnienia tub CO₂ jest kluczowym parametrem charakteryzującym ich trwałość i niezawodność, która pozwala na utrzymanie stałej mocy podczas ciągłej pracy. Absolutne uszczelnienie tuby jest niemożliwe do osiągnięcia bazując na podstawowych materiałach. Reakcja chemiczne mieszaniny gazów z niektórymi materiałami i panująca wysoka temperatura wewnątrz tuby ponadto znacznie ograniczają zakres doboru materiałów.

 

Porównanie metalowych i ceramicznych tub CO₂

Do niedawna szkło oraz metal były jedynymi materiałami, których używano do budowy tub laserowych CO₂. Trzecią opcją są stosunkowo niedawno wprowadzone tuby z rdzeniem ceramicznym. Rozwiązania konstrukcyjne i użyty materiał powodują, że zyskują one przewagę nad tubami metalowymi. Poniżej opisane zostały różnice między tubami metalowymi oraz ceramicznymi. Na rynku istnieje wiele firm produkujących zarówno tuby metalowe jak i ceramiczne, natomiast w ofercie ATMSolutions znajdują się tuby dwóch wiodących na rynku firm: Synrad (tuby metalowe) oraz Iradion (tuby ceramiczne)

Różnica między tubami metalowymi i ceramicznymi, jak sama nazwa wskazuje, występuje w materiale z którego są zbudowane. Podstawowym problemem związanym z niezawodnością laserów z tubą metalową jest to, że metal jest reaktywny z mieszaniną gazów. Po dłuższym czasie cząsteczki wolnego tlenu reagują z tym odsłoniętym metalem, występuje utlenianie, które powoduje zmiany w oryginalnym składzie mieszaniny gazów co może przekładać się na spadek efektywności działania tuby i jej krótszą żywotność.

Konstrukcja metalowa jest spawana, co już w jakimś stopniu może wprowadzać nieszczelności. Ponadto w konstrukcji do uszczelniania używa się uszczelek typu O-ring, które z czasem w reakcji ze środowiskiem (wilgoć, zmiany temperatury) zużywają się. Wszystko to powoduje, że powietrze i wilgoć mogą przedostać się do tuby laserowej, a cząsteczki gazów na zewnątrz.

Problemy te zostały rozwiązane w ceramicznych tubach CO2. Opracowana technologia zakłada odseparowanie elektrod pobudzających cząstki gazu na zewnątrz tuby laserowej (Rys. 3). Wszystkie reaktywne składniki umieszczone są w rdzeniu mając jedynie kontakt z czystą ceramiką - tlenkiem glinu (Al₂O₃). Ze względu na swój skład chemiczny tlenek glinu jest bardzo dobrym materiałem, ponieważ nie reaguje chemicznie z mieszaniną gazów.

 

Rysunek 3. Rozwiązanie konstrukcyjne ceramicznych oraz metalowych tub CO₂. [2]

 

Właściwości tlenku glinu Al₂O₃:

• bardzo wysoka temperatura pracy, nawet do 1700°C,
• wysoka twardość i odporność na ścieranie,
• może być obrabiany z dużą dokładnością i polerowany,
• odporny na korozję i wpływ czynników chemicznych,
• relatywnie niska gęstość,
• bardzo wysoka stabilność wymiarowa.

 

Ceramika wypalana jest w bardzo wysokich temperaturach, co dodatkowo zapewnia, że wszystkie zanieczyszczenia organiczne powstałe przy produkcji tuby laserowej są spalone eliminując na wstępie ingerencję w skład mieszaniny.

Współczynnik rozszerzalności cieplnej tlenku glinu wynosi 8,4x10^-6 /°C i jest on prawie 3 razy mniejszy od rozszerzalności aluminium 23,1x10^-6/°C. Zmiany termiczne mają wpływ na stabilność pracy lasera. W związku z tym, bazując na parametrach rozszerzalności cieplnej, tuby ceramiczne wykazują się lepszą stabilnością pracy w porównaniu do tub metalowych. Rdzeń ceramiczny może pracować przy wyższym ciśnieniu mieszaniny gazów. Wyższe ciśnienie generuje lepszą częstotliwość pracy. Zwiększenie częstotliwości przełączania (czas narastania i opadania) zwiększa jeszcze bardziej zakres maksymalnych prędkości grawerowania. Dodatkowo tuby ceramiczne w swojej pracy zużywają około 30% mniej energii niż tuby metalowe.

 

Tabela 1. Właściwości metalowych i ceramicznych tub CO₂.

Rodzaj tuby	Metalowa RF (producent – Synrad)	Ceramiczna RF (producent – Iradion)
Żywotność [godziny pracy]	20 000 ÷ 35 000	~ 30% dłużej niż tuba metalowa
Możliwość regeneracji	Możliwa	Możliwa
Chłodzenie	Powietrze (dla mocy do 100W), dla większych mocy ciecz	Powietrze (dla mocy do 100W), dla większych mocy ciecz
Minimalna średnica plamki [mm]	~ 0,05	~ 0,05
Czas generowania impulsu [μs]	< 100	< 75
Konstrukcja wykonania	Konstrukcja metalowa spawana z elektrodami wewnątrz	Konstrukcja ceramiczna stapiana z elektrodami na zewnątrz

Dane zawarte w powyższej tabeli są to dane orientacyjne i mogą odbiegać od rzeczywistych parametrów tub CO₂.

 

Na podstawie zgromadzonych informacji można zauważyć, że stosunkowo nowe na rynku tuby ceramiczne mają lepsze właściwości od tub metalowych. Warto również pamiętać, że zarówno tuby metalowe, jak i ceramiczne charakteryzują się znacząco lepszymi parametrami od tub szklanych. Różnice parametrów między tubami szklanymi a metalowymi są zdecydowanie większe niż między tubami metalowymi a ceramicznymi co sprawia, że następuje ciągły wzrost sprzedaży tub metalowych oraz ceramicznych.

 

Źródła:
[1] https://atmsolutions.pl/
[2] https://www.iradionlaser.com/en/technology/our-technology/
[3] https://www.synrad.com/resources/general_information/aboutco2lasers
[4] http://stjorsen.pl/rightbar/ceramika-techniczna/materialy